3603 臥式車床數(shù)控化改造設(shè)計(jì)-橫向進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3603 臥式車床數(shù)控化改造設(shè)計(jì)-橫向進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計(jì),臥式,車床,數(shù)控,改造,設(shè)計(jì),橫向,進(jìn)給,系統(tǒng) 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說 明 書 （ 論 文 ） 第 Ⅰ 頁 共 Ⅰ 頁目 錄1 緒論 .................................................................11.1 國內(nèi)外數(shù)控機(jī)床的發(fā)展 ...............................................11.2 機(jī)床進(jìn)行數(shù)控化改造的意義 ...........................................21.3 機(jī)床數(shù)控化改造的設(shè)計(jì)任務(wù) ...........................................32 總體方案的確定 .......................................................42.1 主傳動系統(tǒng)的改造方案 ...............................................52.2 換裝自動回轉(zhuǎn)刀架 ...................................................62.3 螺紋編碼器的安裝方案 ...............................................72.4 進(jìn)給系統(tǒng)的改造與設(shè)計(jì)方案 ...........................................72.5 數(shù)控系統(tǒng)部分設(shè)計(jì) ...................................................83 橫向進(jìn)給系統(tǒng)的改造設(shè)計(jì) ..............................................103.1 橫向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與計(jì)算 ..........................................103.2 數(shù)控車床的傳動裝置設(shè)計(jì) ............................................163.3 自動轉(zhuǎn)位刀架的設(shè)計(jì) ................................................224 微機(jī)數(shù)控部分設(shè)計(jì) ....................................................254.1 概述 ..............................................................254.2 數(shù)控系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì) ............................................264.3 軟件設(shè)計(jì) ..........................................................27結(jié)束語 .................................................................29致謝 ...................................................................30參考文獻(xiàn) ...............................................................31 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說 明 書 （ 論 文 ） 第 0 頁 共 31 頁1 緒論1.1 國內(nèi)外數(shù)控機(jī)床的發(fā)展美、德、日三國是當(dāng)今世上在數(shù)控機(jī)床科研、設(shè)計(jì)、制造和使用上，技術(shù)最先進(jìn)、經(jīng)驗(yàn)最多的國家。因其社會條件不同，各有特點(diǎn)。1.1.1 美國的數(shù)控發(fā)展史美國政府重視機(jī)床工業(yè)，美國國防部等部門因其軍事方面的需求而不斷提出機(jī)床的發(fā)展方向、科研任務(wù),并且提供充足的經(jīng)費(fèi)，且網(wǎng)羅世界人才，特別講究“效率”和“創(chuàng)新”，注重基礎(chǔ)科研。因而在機(jī)床技術(shù)上不斷創(chuàng)新，如 1952 年研制出世界第一臺數(shù)控機(jī)床、1958 年創(chuàng)制出加工中心、70 年代初研制成 FMS、1987 年首創(chuàng)開放式數(shù)控系統(tǒng)等。由於美國首先結(jié)合汽車、軸承生產(chǎn)需求，充分發(fā)展了大量大批生產(chǎn)自動化所需的自動線，而且電子、計(jì)算機(jī)技術(shù)在世界上領(lǐng)先，因此其數(shù)控機(jī)床的主機(jī)設(shè)計(jì)、制造及數(shù)控系統(tǒng)基礎(chǔ)扎實(shí)，且一貫重視科研和創(chuàng)新，故其高性能數(shù)控機(jī)床技術(shù)在世界也一直領(lǐng)先。當(dāng)今美國生產(chǎn)宇航等使用的高性能數(shù)控機(jī)床，其存在的教訓(xùn)是，偏重於基礎(chǔ)科研，忽視應(yīng)用技術(shù)，且在上世紀(jì) 80 代政府一度放松了引導(dǎo)，致使數(shù)控機(jī)床產(chǎn)量增加緩慢，于 1982 年被后進(jìn)的日本超過，并大量進(jìn)口。從 90 年代起，糾正過去偏向，數(shù)控機(jī)床技術(shù)上轉(zhuǎn)向?qū)嵱茫a(chǎn)量又逐漸上升。 1.1.2 德國的數(shù)控發(fā)展史德國政府一貫重視機(jī)床工業(yè)的重要戰(zhàn)略地位，在多方面大力扶植。于 1956 年研制出第一臺數(shù)控機(jī)床后，德國特別注重科學(xué)試驗(yàn)，理論與實(shí)際相結(jié)合，基礎(chǔ)科研與應(yīng)用技術(shù)科研并重。企業(yè)與大學(xué)科研部門緊密合作，對數(shù)控機(jī)床的共性和特性問題進(jìn)行深入的研究，在質(zhì)量上精益求精。德國的數(shù)控機(jī)床質(zhì)量及性能良好、先進(jìn)實(shí)用、貨真價(jià)實(shí)，出口遍及世界。尤其是大型、重型、精密數(shù)控機(jī)床。德國特別重視數(shù)控機(jī)床主機(jī)及配套件之先進(jìn)實(shí)用，其機(jī)、電、液、氣、光、刀具、測量、數(shù)控系統(tǒng)、各種功能部件，在質(zhì)量、性能上居世界前列。如西門子公司之?dāng)?shù)控系統(tǒng)，均為世界聞名，競相采用。 1.1.3 日本的數(shù)控發(fā)展史日本政府對機(jī)床工業(yè)之發(fā)展異常重視，通過規(guī)劃、法規(guī)(如“機(jī)振法”、“機(jī)電法”、“機(jī)信法”等)引導(dǎo)發(fā)展。在重視人才及機(jī)床元部件配套上學(xué)習(xí)德國，在質(zhì)量 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說 明 書 （ 論 文 ） 第 1 頁 共 31 頁管理及數(shù)控機(jī)床技術(shù)上學(xué)習(xí)美國，甚至青出于藍(lán)而勝于藍(lán)。自 1958 年研制出第一臺數(shù)控機(jī)床后，1978 年產(chǎn)量(7,342 臺)超過美國(5,688 臺)，至今產(chǎn)量、出口量一直居世界首位(2001 年產(chǎn)量 46,604 臺，出口 27,409 臺，占 59%)。戰(zhàn)略上先仿后創(chuàng)，先生產(chǎn)量大而廣的中檔數(shù)控機(jī)床，大量出口，占去世界廣大市場。在上世紀(jì) 80 年代開始進(jìn)一步加強(qiáng)科研，向高性能數(shù)控機(jī)床發(fā)展。日本 FANUC 公司戰(zhàn)略正確，仿創(chuàng)結(jié)合，針對性地發(fā)展市場所需各種低中高檔數(shù)控系統(tǒng)，在技術(shù)上領(lǐng)先，在產(chǎn)量上居世界第一。該公司現(xiàn)有職工 3,674 人，科研人員超過 600 人，月產(chǎn)能力 7,000 套，銷售額在世界市場上占 50%，在國內(nèi)約占 70%，對加速日本和世界數(shù)控機(jī)床的發(fā)展起了重大促進(jìn)作用。1.1.4 我國的數(shù)控發(fā)展史我國數(shù)控技術(shù)的發(fā)展起步于二十世紀(jì)五十年代，通過“六五”期間引進(jìn)數(shù)控技術(shù)， “七五”期間組織消化吸收“科技攻關(guān)” ，我國數(shù)控技術(shù)和數(shù)控產(chǎn)業(yè)取得了相當(dāng)大的成績。特別是最近幾年，我國數(shù)控產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，1998～2004 年國產(chǎn)數(shù)控機(jī)床產(chǎn)量和消費(fèi)量的年平均增長率分別為 39.3%和 34.9%。盡管如此，進(jìn)口機(jī)床的發(fā)展勢頭依然強(qiáng)勁，從 2002 年開始，中國連續(xù)三年成為世界機(jī)床消費(fèi)第一大國、機(jī)床進(jìn)口第一大國，2004 年中國機(jī)床主機(jī)消費(fèi)高達(dá) 94.6 億美元，國內(nèi)數(shù)控機(jī)床制造企業(yè)在中高檔與大型數(shù)控機(jī)床的研究開發(fā)方面與國外的差距更加明顯，70%以上的此類設(shè)備和絕大多數(shù)的功能部件均依賴進(jìn)口。由此可以看出國產(chǎn)數(shù)控機(jī)床特別是中高檔數(shù)控機(jī)床仍然缺乏市場競爭力，究其原因主要在于國產(chǎn)數(shù)控機(jī)床的研究開發(fā)深度不夠、制造水平依然落后、服務(wù)意識與能力欠缺、數(shù)控,系統(tǒng)生產(chǎn)應(yīng)用推廣不力及數(shù)控人才缺乏等。我們應(yīng)看清形勢，充分認(rèn)識國產(chǎn)數(shù)控機(jī)床的不足，努力發(fā)展先進(jìn)技術(shù)，加大技術(shù)創(chuàng)新與培訓(xùn)服務(wù)力度，以縮短與發(fā)達(dá)國家之問的差距 [1]。1.2 機(jī)床進(jìn)行數(shù)控化改造的意義國外利用數(shù)字計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制加工是從 40 年代開始的。1952 年美國麻省理工學(xué)院在一臺立式銑床上裝了一套試驗(yàn)性的數(shù)控系統(tǒng)，成功地實(shí)現(xiàn)同時(shí)控制三軸的運(yùn)動，它成了世界上第一臺數(shù)控機(jī)床。此后，從 60 年代開始，其他一些工業(yè)國家如德國、日本等陸續(xù)地開發(fā)生產(chǎn)及使用數(shù)控機(jī)床。1974 年微處理機(jī)直接用于數(shù)控機(jī)床，進(jìn)一步促進(jìn)了數(shù)控機(jī)床的普及應(yīng)用和大力發(fā)展。隨著數(shù)控機(jī)床的功能越來越完善，可靠性和性能越來越高，它在制造業(yè)中逐漸擔(dān)當(dāng)了越來越重要的角色 [2]。 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說 明 書 （ 論 文 ） 第 2 頁 共 31 頁我國數(shù)控機(jī)床的研制是從 1958 年開始的，經(jīng)歷了幾十年的發(fā)展，直至 80 年代后引進(jìn)了日本、美國、西班牙等國數(shù)控伺服及伺服系統(tǒng)技術(shù)后，我國的數(shù)控技術(shù)才有質(zhì)的飛躍，應(yīng)用面逐漸鋪開，數(shù)控技術(shù)產(chǎn)業(yè)才逐步形成規(guī)模。由于現(xiàn)代工業(yè)的飛速發(fā)展，市場需求變的越來越多樣化，多品種、中小批量甚至單件生產(chǎn)占有相當(dāng)大的比重，普通機(jī)床已越來越不能滿足現(xiàn)代加工工藝及提高勞動生產(chǎn)率的要求。如果設(shè)備全部更新替換，不僅資金投入太大，成本太高，而且原有設(shè)備的閑置又將造成極大的浪費(fèi)。如今科學(xué)技術(shù)發(fā)展很快，特別是微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展更快，應(yīng)用到數(shù)控系統(tǒng)上，它既能提高機(jī)床的自動化程度，又能提高加工精度，所以最經(jīng)濟(jì)的辦法就是進(jìn)行普通機(jī)床的數(shù)控改造。這樣既可以提高加工生產(chǎn)率，改善加工工藝，還可以減少資金投入，減輕工人的勞動強(qiáng)度，縮短訂購新的數(shù)控機(jī)床的交貨周期時(shí)間。實(shí)踐已經(jīng)證明普通車床的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控改造具有重大的實(shí)際價(jià)值，為此，在舊有車床上進(jìn)行數(shù)控改造有著較好的市場前景 [3]。1.3 機(jī)床數(shù)控化改造的設(shè)計(jì)任務(wù)本課題來源于生產(chǎn)實(shí)踐。將 CA6140 型普通車床改造成經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床，應(yīng)能實(shí)現(xiàn) CA6140 車床原有功能，在機(jī)床的精度、性能等方面除保持原來狀況外還有所提高。在整個設(shè)計(jì)過程中滿足以下幾點(diǎn)要求：（1）橫向（X 向） 進(jìn)給脈沖當(dāng)量為 0.005mm /脈沖；（2）橫向最快的工進(jìn)速度：400mm/min（無級調(diào)速） ；（3）床身上最大加工直徑：400mm；最大加工長度：1000mm；（4）CNC 系統(tǒng)主 CPU 采用單片機(jī)。該設(shè)計(jì)的總體思路是采用以 8031 單片機(jī)為核心的數(shù)控裝置控制加工過程。微機(jī)通過 I/O 接口發(fā)出驅(qū)動脈沖，經(jīng)過光電隔離進(jìn)入步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動控制線路，驅(qū)動控制線路接受來自數(shù)控車床控制系統(tǒng)的進(jìn)給脈沖信號，并將該信號轉(zhuǎn)換為控制步進(jìn)電機(jī)各定子繞組依次通電、斷電的信號，使步進(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子帶動滾珠絲杠轉(zhuǎn)動，從而使工作臺產(chǎn)生移動，實(shí)現(xiàn)縱向、橫向的進(jìn)給運(yùn)動。由于步進(jìn)電機(jī)需要的驅(qū)動電壓較高，電流較大，如果將 I/O 輸出信號直接與功率放大器相連，將會引起強(qiáng)電干擾，輕則影響單片機(jī)程序運(yùn)行，重則導(dǎo)致單片機(jī)接口電路的損壞，所以在接口電路與功率放大器之間加上隔離電路，實(shí)現(xiàn)電氣隔離 [4]。 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說 明 書 （ 論 文 ） 第 3 頁 共 31 頁2 總體方案的確定臥式車床是金屬切削加工最常用的一類機(jī)床。它主要用車刀對旋轉(zhuǎn)的工件進(jìn)行車削加工。在車床上還可用鉆頭、擴(kuò)孔鉆、鉸刀、絲錐、板牙和滾花工具等進(jìn)行相應(yīng)的加工。車床主要用于加工軸、盤、套和其他具有回轉(zhuǎn)表面的工件，是機(jī)械制造和修配工廠中使用最廣的一類機(jī)床。CA6140 臥式車床的機(jī)構(gòu)布局如圖 2.1 所示。圖 2.1 CA6140 臥式車床的結(jié)構(gòu)布局對其進(jìn)行改造應(yīng)考慮車床數(shù)控系統(tǒng)的運(yùn)動方式、進(jìn)給伺服系統(tǒng)的類型、數(shù)控系統(tǒng) CPU 的選擇，以及進(jìn)給系統(tǒng)傳動方式和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的選擇等。（1）臥式車床數(shù)控化改造后應(yīng)具有單坐標(biāo)定位，兩坐標(biāo)直線插補(bǔ)、圓弧插補(bǔ)以及螺紋插補(bǔ)的功能。因此，數(shù)控系統(tǒng)應(yīng)設(shè)計(jì)成連續(xù)控制型。（2）臥式車床經(jīng)數(shù)控化改造后屬于經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床，在保證一定加工精度的前提下，應(yīng)簡化結(jié)構(gòu)，降低成本。因此，進(jìn)給伺服系統(tǒng)常采用步進(jìn)電機(jī)的開環(huán)控制系統(tǒng)。（3）根據(jù)技術(shù)指標(biāo)中的最大加工尺寸、最高控制速度，以及數(shù)控系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)型 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說 明 書 （ 論 文 ） 第 4 頁 共 31 頁要求，決定選用 MCS—51 系列的 8 位單片機(jī)作為數(shù)控系統(tǒng)的 CPU。MCS —51 系列8 位機(jī)具有功能多、速度快、抗干擾能力強(qiáng)、性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)。（4）根據(jù)系統(tǒng)的功能要求，需要擴(kuò)展程序存儲器、數(shù)據(jù)存儲器、鍵盤與顯示電路、I/O 接口電路、D/A 轉(zhuǎn)換電路、串行接口電路等；還要選擇步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動電源以及主軸電動機(jī)的交流變頻器等。（5）為了達(dá)到技術(shù)指標(biāo)中的速度和精度要求，縱、橫向的進(jìn)給系統(tǒng)應(yīng)選用摩擦力小、傳動效率高的滾珠絲杠螺母副；為了消除傳動間隙、提高傳動剛度，滾珠絲杠的螺母應(yīng)有預(yù)緊機(jī)構(gòu)等。（6）計(jì)算選擇步進(jìn)電機(jī)，為了圓整脈沖當(dāng)量，可能需要減速齒輪副，且應(yīng)有消間隙機(jī)構(gòu)。（7）選擇四工位立式自動回轉(zhuǎn)刀架，選擇螺紋編碼器等 [5～8] 。總體布局圖如圖 2.2 所示。10-床身部件 20-車頭箱部件 30-縱向進(jìn)給部件 40-橫向進(jìn)給部件 50-尾架部件圖 2.2 總體布局圖2.1 主傳動系統(tǒng)的改造方案經(jīng)濟(jì)型的數(shù)控機(jī)床動力系統(tǒng)可分為三類：（1）步進(jìn)電機(jī)式采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動與定位，是開環(huán)系統(tǒng)，同時(shí)限于造價(jià)，不再采用其它措施補(bǔ) 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說 明 書 （ 論 文 ） 第 5 頁 共 31 頁償位置誤差。由于目前功率步進(jìn)電機(jī)力矩還不太大，所以機(jī)床的空選種速度較低，一般用于半精加工。這種系統(tǒng)具有 2～3 種插補(bǔ)功能，通過軟件控制接口，可加工錐面，螺紋，簡單外形的曲面等十分靈活。由于性價(jià)比較恰當(dāng)，一般中小型企業(yè)在技術(shù)力量和財(cái)力上都比較容易實(shí)現(xiàn)，因此在全國較容易推廣，普及。（2）交流點(diǎn)位式采用交流電機(jī)變頻驅(qū)動，用光柵數(shù)字點(diǎn)位控制，與步進(jìn)電機(jī)相比，提高了定位精度。光柵分辨率可達(dá) 0.001mm，重復(fù)定位精度為 0.005mm，所以加工精度較高。由于采用交流電機(jī)驅(qū)動，功率大，可進(jìn)行大切屑量加工零件加工中，效果尤為顯著。目前，交流點(diǎn)式系統(tǒng)只能加工柱面，不能加工曲面和螺紋功能上有限，而且成本高，使性能價(jià)格比相對下降，一般用于大企業(yè)或?qū)I(yè)化工廠使用，國內(nèi)用的很少。（3）半閉環(huán)連續(xù)控制式采用直流伺服電機(jī)驅(qū)動，以脈沖編碼器檢測位置，實(shí)現(xiàn)半閉環(huán)連續(xù)控制。由于采用高性能直流伺服電機(jī)驅(qū)動，扭矩大，速度高，過載能力強(qiáng)，可進(jìn)行強(qiáng)力切削。當(dāng)絲杠螺在 6mm 左右時(shí)，快速可達(dá) 8～9m/min，且不丟步，效率高。該系統(tǒng)功能齊全，還帶有可編程序控制器，使強(qiáng)電計(jì)大大簡化。對臥式車床進(jìn)行數(shù)控化改造時(shí)，一般可保留原有的主傳動機(jī)構(gòu)和變速操縱機(jī)構(gòu)，這樣可減少機(jī)械改造的工作量。主軸的正傳、反轉(zhuǎn)和停止可由數(shù)控系統(tǒng)來控制。若要提高車床的自動化程度，需要在加工中自動變換轉(zhuǎn)速，可用 2~4 速的多速電動機(jī)代替原有的單速主電動機(jī)；當(dāng)多速電動機(jī)仍不能滿足要求時(shí)，可用交流變頻器來控制主軸電動機(jī)，已實(shí)現(xiàn)無極變速（工廠使用情況表明，使用變頻器時(shí)，若工作頻率低于 70Hz，原來的電動機(jī)可以不換，但所選變頻器的功率應(yīng)比電機(jī)大） [9]。2.2 換裝自動回轉(zhuǎn)刀架為了提高加工精度，實(shí)現(xiàn)一次裝夾完成多道工序，將車床原有的手動刀架換成自動回轉(zhuǎn)刀架。常見的自動回轉(zhuǎn)刀架有四工位立式自動回轉(zhuǎn)刀架和六工位臥式自動回轉(zhuǎn)刀架。如圖 2.3 所示。自動回轉(zhuǎn)刀架在結(jié)構(gòu)上必須具有良好的強(qiáng)度和剛性，以承受粗加工時(shí)的切削抗力。為了保證轉(zhuǎn)位之后具有高的復(fù)雜定位精度，自動回轉(zhuǎn)刀架還要選擇可靠的定位方案和合理的定位結(jié)構(gòu)。自動回轉(zhuǎn)刀架的自動換刀由控制系統(tǒng)和驅(qū)動電路來實(shí)現(xiàn)的。 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說 明 書 （ 論 文 ） 第 6 頁 共 31 頁圖 2.3 自動回轉(zhuǎn)刀架的外形2.3 螺紋編碼器的安裝方案螺紋編碼器又稱主軸脈沖發(fā)生器或圓光柵。數(shù)控車床加工螺紋時(shí)，需要配置主軸脈沖發(fā)生器，作為車床主軸位置信號的反饋元件，它與車床主軸同步轉(zhuǎn)動。螺紋編碼器通常有兩種安裝形式：同軸安裝和異軸安裝。同軸安裝是指將編碼器直接安裝在主軸后端，與主軸同軸，這種方式結(jié)構(gòu)簡單，但它堵住了主軸的通孔。異軸安裝是指將編碼器安裝在主軸箱的后端，一般盡量裝在與主軸同步的旋轉(zhuǎn)輸出軸，如果找不到同步軸，可將編碼器通過一對傳動比為 1：1 的同步齒形帶與主軸聯(lián)接起來。需要注意的是，編碼器的軸頭與安裝軸之間必須采用無間隙柔性聯(lián)接，且車床主軸的最高轉(zhuǎn)速不允許超過編碼器的最高許用轉(zhuǎn)速。2.4 進(jìn)給系統(tǒng)的改造與設(shè)計(jì)方案（1）拆除掛輪架所有齒輪，在此尋找主軸的同步軸，安裝螺紋編碼器。（2）拆除進(jìn)給箱總成，在此位置安裝縱向進(jìn)給步進(jìn)電動機(jī)與同步帶減速箱總成。（3）拆除溜板箱總成與快走刀的齒輪齒條，在床鞍的下面安裝縱向滾珠絲杠的 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說 明 書 （ 論 文 ） 第 7 頁 共 31 頁螺母座與螺母座托架。（4）拆除四方刀架與小滑板總成，在中滑板上方安裝四工位立式電動刀架。（5）拆除中滑板下的滑動絲杠螺母副，將滑動絲杠靠刻度盤一段鋸斷保留，拆掉刻度盤上的手柄，保留刻度盤附近的兩個推力軸承，換上滾珠絲杠副。（6）將橫向進(jìn)給步進(jìn)電動機(jī)通過法蘭座安裝到中滑板后部的床鞍上，并與滾珠絲杠的軸頭相聯(lián)。（7）拆去三杠（絲杠、光杠與操縱杠） ，更換絲杠的右支承 [10]。2.5 數(shù)控系統(tǒng)部分設(shè)計(jì)數(shù)控系統(tǒng)按運(yùn)動方式分為點(diǎn)位控制系統(tǒng)、點(diǎn)位直線控制系統(tǒng)、連續(xù)(輪廓)控制系統(tǒng)根據(jù)設(shè)計(jì)要求，CA6140 車床要加工復(fù)雜零件輪廓，其各坐標(biāo)軸的運(yùn)動有著確定的函數(shù)關(guān)系。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，本微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)采用連續(xù)控制系統(tǒng)。采用以步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動的開環(huán)控制。因?yàn)殚_環(huán)控制具有結(jié)構(gòu)簡單、設(shè)計(jì)制造容易、控制精度較好、容易調(diào)試、價(jià)格便宜、使用維修方便等優(yōu)點(diǎn)。開環(huán)控制多用于負(fù)載變化不大或要求不高的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控設(shè)備中。采用簡易數(shù)控裝置，以步進(jìn)電機(jī)為驅(qū)動機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)在微機(jī)控制下的自動加工。其工作原理是：根據(jù)加工零件的圖樣與工藝方案，用規(guī)定的代碼和程序格式編寫加工程序，通過數(shù)控裝置上的鍵盤輸入微機(jī)，微機(jī)在監(jiān)控程序的管理下工作，并通過專用控制程序，把用戶加工程序轉(zhuǎn)化成一定頻率和數(shù)量的脈沖信號，經(jīng)驅(qū)動電路放大后驅(qū)動縱橫向二臺步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動，通過機(jī)械接口傳動絲杠實(shí)現(xiàn)刀架縱、橫兩個方向的頻率。自動回轉(zhuǎn)刀架由單片機(jī)發(fā)出換刀轉(zhuǎn)位指令，由自動刀架驅(qū)動電源驅(qū)動三相電機(jī)使刀架松開、抬起、旋轉(zhuǎn)后再自動鎖緊而完成轉(zhuǎn)位換刀過程。該經(jīng)濟(jì)型微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)采用步進(jìn)電機(jī)作為驅(qū)動元件。微機(jī)通過 I/O 接口發(fā)出驅(qū)動脈沖，經(jīng)過光電隔離進(jìn)入步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動控制線路，驅(qū)動控制線路接受來自數(shù)控車床控制系統(tǒng)的進(jìn)給脈沖信號，并將該信號轉(zhuǎn)換為控制步進(jìn)電機(jī)各定子繞組依次通電、斷電的信號，使步進(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子帶動滾珠絲杠傳動，絲杠轉(zhuǎn)動使工作臺產(chǎn)生移動。如圖 2.4 所示。光電隔離微機(jī)功率放大步進(jìn)電 機(jī)橫向工作臺xx 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說 明 書 （ 論 文 ） 第 8 頁 共 31 頁圖 2.4 CA6140 車床數(shù)控改造的方案示意圖綜上所述，本設(shè)計(jì)改造的總體方案為：采用 MCS-51 單片機(jī)對數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算處理，由 I/O 接口輸出步進(jìn)脈沖，步進(jìn)電機(jī)經(jīng)一級齒輪減速后，帶動滾動絲杠轉(zhuǎn)動，從而實(shí)現(xiàn)縱向、橫向的進(jìn)給運(yùn)動。數(shù)控改造后的車床不僅提高了原車床的精度和自動化程度，達(dá)到快速調(diào)整且仍能保持車床的通用性，而且提高了原車床的功能，利用數(shù)控方法準(zhǔn)確地加工任意面的旋轉(zhuǎn)體 [11]。 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說 明 書 （ 論 文 ） 第 9 頁 共 31 頁3 橫向進(jìn)給系統(tǒng)的改造設(shè)計(jì)3.1 橫向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與計(jì)算3.1.1 橫向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)步進(jìn)電機(jī)經(jīng)減速后驅(qū)動滾珠絲杠，使刀架橫向運(yùn)動。步進(jìn)電機(jī)安裝在大拖板上，用法蘭盤將步進(jìn)電機(jī)和機(jī)床大拖板連接起來，以保證同軸度，提高傳動精度。3.1.2 橫向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算已知條件：工作臺重（根據(jù)圖紙粗略計(jì)算） 30Nkgf?W時(shí)間常數(shù) 25ms?T滾珠絲杠基本導(dǎo)程 左旋4L行程 30S脈沖當(dāng)量 ep.5/st?pδ步距角 7.α?快速進(jìn)給速度 1m/inaxV（1）切削力計(jì)算 查參考文獻(xiàn)[1]可得知，橫向進(jìn)給量為縱向的 1/2～1/3,取 1/2,則切削力約為縱向的 1/2763.8N.kgf152.76(/)???zF（3.1）在切斷工件時(shí)：381.9.kgf76.380.5. ???zz（3.2）（2）滾珠絲杠設(shè)計(jì)計(jì)算 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說 明 書 （ 論 文 ） 第 10 頁 共 31 頁（a）強(qiáng)度計(jì)算對于燕尾型導(dǎo)軌：W)(F fKPzy???（3.3）取 1.4?K0.2?f則30)(76.80.23819.4???P4N7kgf（3.4）壽命值51305610.TinLi ???（3.5）最大動負(fù)載N5213kgf57412533 ....LQi ???（3.6）根據(jù)最大動負(fù)荷 Q 的值，可選擇滾珠絲杠的型號。查參考文獻(xiàn)[2]可知，選用型號為 WL2004-2.5X1B 左，其額定動負(fù)荷為 6100N，所以強(qiáng)度足夠用。（b）效率計(jì)算螺旋升角 ，摩擦角93???r01???則傳動效率9560183.)tan()t(????????（3.7）（c）剛度驗(yàn)算滾珠絲杠受工作負(fù)載 P 引起的導(dǎo)程的變化量cm1096571062143472???????....EFLΔ01 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說 明 書 （ 論 文 ） 第 11 頁 共 31 頁（3.8）滾珠絲杠受扭矩引起的導(dǎo)程變化量 很小，可忽略，即： 。所以，導(dǎo)2ΔL1ΔL?程變形總誤差為μm/914096541..L0Δ????（3.9）查表知 E 級精度絲杠允許的螺距誤差 1 長為 15 ，故剛度足夠。/（d）穩(wěn)定性驗(yàn)算由于選用滾珠絲杠的直徑與原絲杠直徑相同，而支承方式由原來的一端固定、一端懸空，變?yōu)橐欢斯潭?，一端徑向支承，所以穩(wěn)定性增強(qiáng)，故不用驗(yàn)算。（3）齒輪及轉(zhuǎn)矩有關(guān)計(jì)算（a）有關(guān)齒輪計(jì)算傳動比 6713503647..δ0Lip????（3.10）故取 18?Z302mb?2??361d2d40?a64a8齒輪傳動示意圖。如圖 3.1 所示。 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說 明 書 （ 論 文 ） 第 12 頁 共 31 頁圖 3.1 齒輪傳動示意圖（b）齒輪傳動間隙的消除措施進(jìn)給伺服系統(tǒng)中的減速齒輪，除了本身要求較高的運(yùn)動精度和工作平穩(wěn)性外，還必須盡可能消除齒側(cè)傳動間隙，否則，進(jìn)給運(yùn)動會產(chǎn)生反向死區(qū)，影響傳動精度和系統(tǒng)穩(wěn)定性。常用的齒輪傳動間隙消除的方法有以下兩種。①偏心套調(diào)整法如圖 3.2 所示，電動機(jī) 2 通過偏心套 1 裝在殼體上，通過轉(zhuǎn)動偏心套 1 能夠方便地調(diào)整兩齒輪的中心距，從而達(dá)到消除側(cè)間隙的目的。該方法結(jié)構(gòu)簡單，傳動剛度好，能傳遞較大的轉(zhuǎn)矩，但齒輪磨損后齒側(cè)間隙不能自動補(bǔ)償。 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說 明 書 （ 論 文 ） 第 13 頁 共 31 頁1-偏心套 2-電動機(jī)圖 3.2 偏心套調(diào)整機(jī)構(gòu)②雙片薄齒輪錯齒調(diào)整法如圖 3.3 所示，兩個齒數(shù)相同的薄片齒輪 1、2 與另外一個寬齒輪 6 嚙合。薄片齒輪 1 與軸整體鑄造而成，保證了機(jī)構(gòu)的強(qiáng)度。薄片齒輪 2 套裝在軸上，兩片薄齒輪之間可作相對回轉(zhuǎn)運(yùn)動。每個薄齒輪上分別連接三個沉頭螺釘 4、5，并在齒輪 2上開有三個較大通孔。齒輪 1 上的三個沉頭螺釘 5 從齒輪 2 上三個大孔中穿過后，再通過拉簧 7 與齒輪 2 上的螺釘 4 相聯(lián)，螺母 3 可防止拉簧滑出。由于拉簧 7 的拉力作用使齒輪 1、2 相互之間產(chǎn)生回轉(zhuǎn)，分別與寬齒輪 6 的兩側(cè)貼緊，從而消除了齒側(cè)間隙。 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說 明 書 （ 論 文 ） 第 14 頁 共 31 頁1、2、6-齒輪 3-螺母 4、5-螺釘 7-拉簧圖 3.3 雙片薄齒輪錯齒調(diào)整機(jī)構(gòu)（c）轉(zhuǎn)動慣量計(jì)算工作臺質(zhì)量折算到電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動慣量222 cmkgf0439137501438?????? ..).(W)πδ180(Jp?（3.11）絲杠轉(zhuǎn)動慣量24- c0.6kgf52107.8????sJ（3.12）齒輪的轉(zhuǎn)動慣量cm0.26kgf3.107.824- ????1zJ（3.13）c.f. 24- ?2zJ（3.14） 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說 明 書 （ 論 文 ） 第 15 頁 共 31 頁電機(jī)轉(zhuǎn)動慣量很小可忽略，因此，總的轉(zhuǎn)動慣量 ????043926062453....JJi1JI1Z2S2 ????????????cm.58kgf?（3.15）（d）所需轉(zhuǎn)動力矩計(jì)算r/in7416350.Liυnomax???（3.16）mN218400256974181044 ???????? ..T9.6iJnMmaxax（3.17）r/in17346013...πDLυfifnoo1主t ?（3.18）cmkgf5N702569784 ???????...Mat（3.19） N028.287014320 ????? ..πηiWfiLFf（3.20）????m01ckgf1609580143692 ·.·....πηi6M2oYo ???????（3.21）N1790ckgf824150432 ·.·...πηiLFoYt ????（3.22）所以，快速空載啟動所需轉(zhuǎn)矩（3.23）cm326ckgf632102873 ·.·...Mofamx ??????切削時(shí)所需力矩： 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說 明 書 （ 論 文 ） 第 16 頁 共 31 頁cmN042ckgf4028160287140 ·.·.....MMtofat ???????（3.24）快速進(jìn)給時(shí)所需力矩：cmN034ckgf403162870·.·...Mof ????（3.25）從以上計(jì)算可知：最大轉(zhuǎn)矩發(fā)生在快速啟動時(shí)， N326kgf62M???..max3.1.3 步進(jìn)電機(jī)的選擇C6140 橫向進(jìn)給系統(tǒng)步進(jìn)電機(jī)的確定cN285640132·...MLoq???（3.26）電動機(jī)選用三相六拍工作方式，查參考文獻(xiàn)[1]表 7-2 知：860.imq?（3.27）所以，步進(jìn)電機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩 為：iMcmN0176825·..0.6qim??（3.28）步進(jìn)電機(jī)最高工作頻率Hz30561..δ0υfpmaxx ???（3.29）為了便于設(shè)計(jì)和計(jì)算，選用 110BF003 型三相六拍步進(jìn)電機(jī)，能滿足使用要求。步進(jìn)電機(jī)的安裝尺寸見表 3.1，圖 3.4 所示 [12]。表 3.1 反應(yīng)式/磁阻式步進(jìn)電動機(jī)的安裝尺寸型號 φD φD h1 h2 φd E b L φd 1 φD 2 鍵 MS 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說 明 書 （ 論 文 ） 第 17 頁 共 31 頁1110BF003 110 85 4 8 14 29 112 186 9 132 平鍵 4×20 無圖 3.4 步進(jìn)電動機(jī)外型及安裝尺寸3.2 數(shù)控車床的傳動裝置設(shè)計(jì)數(shù)控機(jī)床的傳動裝置是指將電動機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動變?yōu)楣ぷ髋_的直線運(yùn)動的整個機(jī)械傳動鏈及其附屬機(jī)構(gòu)。包括絲杠螺母副、導(dǎo)軌、工作臺等。在數(shù)控機(jī)床數(shù)字調(diào)節(jié)技術(shù)領(lǐng)域，傳動裝置是伺服系統(tǒng)中的一個重要環(huán)節(jié)。因此，數(shù)控車床的傳動裝置與普通車床中傳動裝置在概念上有重要差別，它的設(shè)計(jì)與普通車床傳動裝置的設(shè)計(jì)不同。數(shù)控車床傳動裝置的設(shè)計(jì)要求除了具有較高的定位精度之外，還應(yīng)具有良好的動態(tài)特性，即系統(tǒng)跟蹤指令信號的響應(yīng)要快，穩(wěn)定性要好。為確保數(shù)控車床進(jìn)給系統(tǒng)的傳動精度和工作穩(wěn)定性，在設(shè)計(jì)機(jī)械傳動裝置時(shí)，通常提出了無間隙、低摩擦、高剛度等要求。為了達(dá)到這些要求，采取主要措施如下：（1）盡量采用低摩擦的傳動，以減少摩擦力；（2）鏈以及用預(yù)緊的辦法提高傳動系統(tǒng)的剛度；（3）量消除傳動間隙，減少反向死區(qū)誤差 [13]。3.2.1 螺旋傳動（1）概述螺旋傳動主要用來把旋轉(zhuǎn)運(yùn)動變?yōu)橹本€運(yùn)動，或把直線運(yùn)動變?yōu)樾D(zhuǎn)運(yùn)動。其中，有以傳遞能量為主的傳力螺旋，有以傳遞運(yùn)動為主，并要求有較高傳動精度的 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說 明 書 （ 論 文 ） 第 18 頁 共 31 頁傳動螺旋，還有調(diào)整零件相互位置的調(diào)整螺旋。螺旋傳動機(jī)構(gòu)又有滑動絲杠螺母、滾珠絲杠螺母和液壓絲杠螺母機(jī)構(gòu)。在經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床的進(jìn)給系統(tǒng)中，螺旋傳動主要用來實(shí)現(xiàn)精密進(jìn)給運(yùn)動，并廣泛采用滾珠絲杠副傳動機(jī)構(gòu)。滾珠絲杠副傳動是在具有螺旋滾道的絲杠和螺母間放入適當(dāng)數(shù)量的滾珠。這些滾珠作為中間傳動件，使螺桿和螺母之間的摩擦由滑動摩擦變?yōu)闈L動摩擦的一種傳動裝置。它由絲杠、螺母、滾珠及滾珠循環(huán)返回裝置等四個部分組成。當(dāng)螺桿轉(zhuǎn)動螺母移動時(shí)，滾珠則沿螺桿螺旋滾道面滾動，在螺桿上滾動數(shù)圈后，滾珠從滾道的一端滾出并沿返回裝置返回另一端，重新進(jìn)入滾道，從而構(gòu)成閉和回路。（2）滾珠絲杠副傳動的特點(diǎn)（a）傳動效率高，摩擦損失小。（b）給予適當(dāng)預(yù)緊，可消除絲杠和螺母的螺紋間隙，反向時(shí)就可以消除空程死區(qū)，定位精度高，剛度好。（c）啟動力矩小，運(yùn)動平穩(wěn)，無爬行現(xiàn)象，傳動精度高，同步性好。（d）有可逆性，可以從旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)換為直線運(yùn)動，也可以從直線運(yùn)動轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，即絲杠和螺母都可以作為主動件。（e）磨損小，使用壽命長，精度保持性好。（f）制造工藝復(fù)雜。滾珠絲杠和螺母等元件的加工精度要求高，表面粗糙度值別別小，故制造成本高。（g）不能自鎖。特別是對于垂直絲杠，由于中立的作用，下降時(shí)當(dāng)傳動切斷后，不能立刻停止運(yùn)動，所以需要添加制動裝置。（3）滾珠絲杠副的支承方式為了滿足高精度、高剛度進(jìn)給系統(tǒng)的需要，必須充分重視滾珠絲杠副支承的設(shè)計(jì)。（a）一端固定 一端自由絲杠的靜態(tài)穩(wěn)定性和動態(tài)穩(wěn)定性都很低。結(jié)構(gòu)簡單軸向剛度小 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說 明 書 （ 論 文 ） 第 19 頁 共 31 頁適用于較短的滾珠絲杠安裝和垂直的滾珠絲杠安裝（b）兩端鉸支結(jié)構(gòu)簡單軸向剛度小適用于對剛度和位移精度要求不高的滾珠絲杠安裝對絲杠的熱伸長較敏感適用于中等回轉(zhuǎn)速度（c）一端固定 一端鉸支絲杠的靜態(tài)穩(wěn)定性和動態(tài)穩(wěn)定性都較高，適用于中等回轉(zhuǎn)速度結(jié)構(gòu)稍復(fù)雜軸向剛度大適用于對剛度和位移精度要求較高的滾珠絲杠安裝推力球軸承應(yīng)安置在離熱源（步進(jìn)電機(jī)）較遠(yuǎn)的一端（d）兩端固定絲杠的靜態(tài)穩(wěn)定性和動態(tài)穩(wěn)定性最高，適用于高速回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，兩端軸承均調(diào)整預(yù)緊，絲杠的溫度變形可轉(zhuǎn)化為推力軸承的預(yù)緊力軸向剛度最大適用于對剛度和位移精度要求高的滾珠絲杠安裝適用于較長的絲杠安裝詳見表 3.2。表 3.2 滾珠絲杠副的支承形式支承形式 簡圖 特點(diǎn)雙推-自由1.剛度、臨界轉(zhuǎn)速、壓桿穩(wěn)定性低2.設(shè)計(jì)時(shí)盡量使絲杠受拉伸3.適用于較短和垂直安裝的絲杠 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說 明 書 （ 論 文 ） 第 20 頁 共 31 頁雙推-簡支1.臨界轉(zhuǎn)速、壓桿穩(wěn)定性較高2.絲杠有熱膨脹的余地3.適用于較長的臥式安裝的絲杠單推-單推可根據(jù)預(yù)計(jì)溫升產(chǎn)生的熱膨脹量進(jìn)行預(yù)拉伸雙推-雙推1.絲杠的軸向剛度高2.絲杠一般不會受壓，無壓桿穩(wěn)定性問題3.可用預(yù)拉伸減小因絲杠自重引起的下垂4.適用于對剛度和位移精度要求高的場合綜上所述，本設(shè)計(jì)中滾珠絲杠副支承方式由原來的一端固定、一端懸空，變?yōu)橐欢斯潭ǎ欢藦较蛑С?。?）滾珠絲杠副軸向間隙的調(diào)整滾珠絲杠的傳動間隙是軸向間隙。為了保證反向傳動精度和軸向剛度，必須消除軸向間隙。消除間隙的方法采用雙螺母結(jié)構(gòu)，利用兩個螺母的相對軸向位移，使兩個滾珠螺母中的滾珠分別貼緊在螺旋滾道的兩個相反的側(cè)面上。用這種方法預(yù)緊消除軸向間隙時(shí)，應(yīng)注意預(yù)緊力不宜過大，預(yù)緊力大會使空載力矩增加，從而降低傳動效率，縮短使用壽命。此外，還要消除絲杠安裝部分和驅(qū)動部分的間隙 [14]。3.2.2 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（1）軸 CAJJX6140-02-04 的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)由前面滾珠絲杠副的設(shè)計(jì)可知：滾珠絲杠的直徑為 20mm。由于絲杠與軸CAJJX6140-02-04 通過聯(lián)接套聯(lián)接，考慮到軸的加工方便性和整體的連貫性，軸CAJJX6140-02-04 的軸身部分直徑與滾珠絲杠的直徑相同，均為 φ20mm，其長度根據(jù)原車床實(shí)際需要的尺寸而定，軸頸部分直徑為 17mm。如圖 3.5 所示。 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說 明 書 （ 論 文 ） 第 21 頁 共 31 頁圖 3.5 軸 CAJJX6140-02-04（2）軸 CAJJX6140-02-08 的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)考慮與軸承內(nèi)經(jīng)的配合，所以該軸兩端支承部分直徑為 17mm。由于該軸需與法蘭盤聯(lián)接，而且該軸相對較長，因此在設(shè)計(jì)時(shí)為了方便安裝，降低裝配難度，將軸身部分增加一個軸肩，直徑適當(dāng)減小，使其有一過渡，軸身直徑為 15mm。因?yàn)樵撦S的右端還需安裝一個透蓋，用雙螺母對其緊固。軸與透蓋用一鍵使其周向固定。查參考文獻(xiàn)[3]可知，根據(jù)軸的直徑選用型號為 GB/T1098-1979 的鍵，鍵槽寬度為3mm，深度為 3.8mm。如圖 3.6 所示。圖 3.6 軸 CAJJX6140-02-083.2.3 透蓋的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)透蓋的內(nèi)徑和長度由與之配合的軸 CAJJX6140-02-08 的直徑和長度決定，所以透蓋的直徑為 16mm,長 33mm。因?yàn)檫x用型號為 GB/T1098-1979 的鍵，查參考文獻(xiàn)[3]可知，轂 t1=1.4mm，上偏差為+0.1，下偏差為 0。外圓的直徑由法蘭盤的直徑?jīng)Q定，為 96mm。如圖 3.7 所示。 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說 明 書 （ 論 文 ） 第 22 頁 共 31 頁圖 3.7 透蓋 CAJJX6140-02-013.2.4　螺母座的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)螺母座的長度根據(jù)滾珠螺母的長度而定。螺母座與滾珠螺母通過鍵進(jìn)行軸向固定，查參考文獻(xiàn)[4]可知，該鍵型號選用 GB/T1096-1979，4×4×30。滾珠絲杠副通過螺母座帶動工作臺移動，因此螺母座通過螺釘與工作臺聯(lián)接。查參考文獻(xiàn)[4]可知，螺釘型號選用 GB/T70-1985。如圖 3.8 所示。 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說 明 書 （ 論 文 ） 第 23 頁 共 31 頁圖 3.8 螺母座 CAJJX6140-02-073.3 自動轉(zhuǎn)位刀架的設(shè)計(jì)自動轉(zhuǎn)位刀架的設(shè)計(jì)是普通機(jī)床數(shù)控改造機(jī)械方面的關(guān)鍵。在進(jìn)行普通車床的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控改造時(shí)，多采用外購自動轉(zhuǎn)位刀架。由微機(jī)控制的自動轉(zhuǎn)位刀架具有重復(fù)定位精度高,工件剛性好,性能可靠,使用壽命長以及工藝性好等特點(diǎn)。自動轉(zhuǎn)位刀架設(shè)計(jì)時(shí),刀架要能自動完成抬起、回轉(zhuǎn)、選位、下降、定位和壓緊,即要設(shè)計(jì)出合理的機(jī)構(gòu)又要檢測出個順序動作的電信號,以便由控制系統(tǒng)加以控制。自動回轉(zhuǎn)刀架的傳動結(jié)構(gòu)示意圖如圖 3.9 所示。 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說 明 書 （ 論 文 ） 第 24 頁 共 31 頁1-發(fā)信盤 2-推力軸承 3-螺桿螺母副 4-端面齒盤 6-三相異步電動機(jī) 7-聯(lián)軸器 8-蝸桿副 9-反靠銷 10-圓柱銷 11-上蓋圓盤 12-上刀體圖 3.9 自動回轉(zhuǎn)刀架的傳動結(jié)構(gòu)示意圖刀架的回轉(zhuǎn)常采用微電機(jī)通過蝸輪蝸桿使刀架抬到一定高度時(shí),由撥塊帶動刀架轉(zhuǎn)動。刀架的選位由刀架位置的編碼和微機(jī)程序來 [15]實(shí)現(xiàn)。這里選用的是 LD4-1 型自動刀架，其工作原理是由微機(jī)發(fā)出換刀信號,使微電機(jī)正轉(zhuǎn),通過減速機(jī)構(gòu)和升降機(jī)構(gòu)將上刀體升至一定位置時(shí),離合轉(zhuǎn)盤起作用,帶動上刀體旋轉(zhuǎn),旋轉(zhuǎn)到所選刀位,發(fā)信盤發(fā)出刀位信號,使微電機(jī)反轉(zhuǎn),反靠初定位,上刀體下降,齒牙盤嚙合，完成精定位，并通過蝸輪蝸桿，鎖緊螺母，使刀架固緊。當(dāng)夾緊力達(dá)到預(yù)先調(diào)好的狀態(tài)時(shí)，過流繼電器動作，切斷電源，電機(jī)停轉(zhuǎn)，并向微機(jī)發(fā)出回答信號，開始執(zhí)行下道工序。刀架的動作順序簡明地表示為：微電機(jī)——減速機(jī)構(gòu)——升降機(jī)構(gòu)——上刀體上升轉(zhuǎn)位——信號符合——粗定位機(jī)構(gòu)——上刀體下降——精定位——刀體鎖緊——微電機(jī)停轉(zhuǎn)——換刀回答信號——加工順序執(zhí)行。自動刀架的換刀流程如圖 3.10 所示。 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說 明 書 （ 論 文 ） 第 25 頁 共 31 頁圖 3.10 自動回轉(zhuǎn)刀架的換刀流程圖 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說 明 書 （ 論 文 ） 第 26 頁 共 31 頁4 微機(jī)數(shù)控部分設(shè)計(jì)4.1 概述數(shù)控機(jī)械的開環(huán)數(shù)控系統(tǒng)一般用步進(jìn)電機(jī)作為執(zhí)行驅(qū)動元件，因此又稱為開換步進(jìn)控制系統(tǒng)。由于這種系統(tǒng)不使用位置、速度檢測和反饋裝置，沒有閉環(huán)控制系統(tǒng)中的穩(wěn)定性問題，因此具有結(jié)構(gòu)簡單、使用維護(hù)方便、可靠性高、制造成本低等一系列優(yōu)點(diǎn)，適用于精度要求不太高的中小型數(shù)控設(shè)備。開環(huán)系統(tǒng)主要由脈沖分配器、驅(qū)動電源、步進(jìn)電機(jī)組成。步進(jìn)電機(jī)是一種多相脈沖電機(jī)，它的各相繞組必須按一定的規(guī)律輪流供電，步進(jìn)電機(jī)才能按一定的方向旋轉(zhuǎn)。為實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)各繞組間有規(guī)律輪流供電，可以采用硬件邏輯來實(shí)現(xiàn)，也可以用計(jì)算機(jī)軟件來實(shí)現(xiàn)。單片機(jī)通過運(yùn)算不斷地向步進(jìn)電機(jī)發(fā)出脈沖分配信號，這樣就使步進(jìn)電機(jī)朝一個方向不斷轉(zhuǎn)動。單片機(jī)發(fā)出的脈沖速度快，步進(jìn)電機(jī)也轉(zhuǎn)得快，單片機(jī)發(fā)出的脈沖速度慢，步進(jìn)電機(jī)也轉(zhuǎn)得慢，這樣單片機(jī)就可以通過改變輸出脈沖的速度來改變步進(jìn)電機(jī)的速度。單片機(jī)還可以通過改變脈沖分配的順序來改變電機(jī)的轉(zhuǎn)動方向。再通過機(jī)械傳動使電機(jī)的轉(zhuǎn)向、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)角變?yōu)楣ぷ髋_的進(jìn)退、移動速度和位移量。單片機(jī)就是這樣通過步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)來控制工作臺運(yùn)動的。由于單片機(jī)脈沖輸出的脈沖功率很小，不足以推動步進(jìn)電機(jī)，因而必須有一個把脈沖信號放大到足以推動步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動的放大器，這就是步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電源。由于步進(jìn)電機(jī)是一個電感性負(fù)載，電流的上升率受電感大小的影響而在高頻運(yùn)行時(shí)扭矩將有較大的下降。所以在設(shè)計(jì)驅(qū)動電源時(shí)必須采取適當(dāng)?shù)拇胧﹣硖岣唠娏鞯纳仙室员ＷC運(yùn)行時(shí)有足夠的扭矩。由此可見步進(jìn)電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電源的性能好壞將對開環(huán)數(shù)控系統(tǒng)的性能起很重要的作用。如圖 4.1 所示。 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說 明 書 （ 論 文 ） 第 27 頁 共 31 頁CPU I/O 接口光電隔 離功率放 大步進(jìn)電 機(jī)RAMROM外 設(shè)鍵盤、顯示器圖 4.1 數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖4.2 數(shù)控系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)任何一個數(shù)控系統(tǒng)都由硬件和軟件兩部分組成。硬件是數(shù)控系統(tǒng)的基礎(chǔ)，其性能的好壞直接影響整個系統(tǒng)的工作性能。有了硬件，軟件才能有效的運(yùn)行。機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)硬件電路概括起來由 CPU、總線、存儲器以及 I/O 接口四部分組成。其中 CPU是數(shù)控系統(tǒng)的核心，作用是進(jìn)行數(shù)據(jù)運(yùn)算處理和控制各部分電路協(xié)調(diào)工作。存儲器用于存放系統(tǒng)軟件，應(yīng)用程序和運(yùn)行中所需要的各種數(shù)據(jù)。I/O 接口是系統(tǒng)與外界進(jìn)行信息交換的橋梁?？偩€則是 CPU 與存儲器、接口以及其它轉(zhuǎn)換電路聯(lián)接的紐帶，是 CPU 與部分電路進(jìn)行信息交換和通訊的必由之路 [16]?？刂葡到y(tǒng)的原理框圖如圖 4.2 所示。 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說 明 書 （ 論 文 ） 第 28 頁 共 31 頁圖 4.2 控制系統(tǒng)原理框圖4.3 軟件設(shè)計(jì)車床數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用工作中，軟件設(shè)計(jì)是一個重要方面。實(shí)際上，軟件設(shè)計(jì)與硬件設(shè)計(jì)工作是不可分割的，二者必須結(jié)合進(jìn)行。軟件設(shè)計(jì)工作，按其功能可分二類：一類是執(zhí)行軟件，它能完成各種實(shí)質(zhì)性的功能；另一類是監(jiān)控（管理）軟件，它是控制微機(jī)系統(tǒng)按預(yù)定的操作方式運(yùn)轉(zhuǎn)的程序。但執(zhí)行軟件和監(jiān)控軟件沒有明確的界限和固定的功能劃分。習(xí)慣上把鍵盤解釋程序作為監(jiān)控程序，其它任務(wù)都分散在特定功能的執(zhí)行程序中，并由監(jiān)控程序來調(diào)用必要的功能模塊，完成預(yù)定的任務(wù) [17]。在進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)從全局著眼，先將整個系統(tǒng)的任務(wù)按功能分成一個一個的模塊，并為每一個執(zhí)行模塊定義，然后設(shè)計(jì)出每一個具體模塊的程序，最后組成一個系統(tǒng)。不僅整個系統(tǒng)的程序結(jié)構(gòu)可具有模塊化的特性，而且其模塊內(nèi)部也可以分為小模塊。模塊特性對測試很有利，功能擴(kuò)充也很方便。要增加新功能，只要增 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說 明 書 （ 論 文 ） 第 29 頁 共 31 頁加新模塊就能實(shí)現(xiàn)，像搭積木一樣。因此，這樣的模塊程序設(shè)計(jì)方法，思路清晰，邏輯性強(qiáng)，柔性較大。如圖 4.3 所示。數(shù)控系統(tǒng)加工程序 管理與操作模塊插補(bǔ)功能間隙補(bǔ)償步進(jìn)電機(jī)控制速度控制環(huán)行分配管理模塊程序設(shè)計(jì)自動換刀程序設(shè)計(jì)鍵盤程序顯示程序鍵盤診斷中斷功能診斷圖 4.3 數(shù)控系統(tǒng)框圖 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說 明 書 （ 論 文 ） 第 30 頁 共 31 頁結(jié)束語迄今為止，經(jīng)過 3 個多月的努力，畢業(yè)設(shè)計(jì)已基本完成。課題的主要設(shè)計(jì)內(nèi)容有以下幾點(diǎn)：（1）分析國內(nèi)外數(shù)控機(jī)床的發(fā)展趨勢、機(jī)床改造的意義以及設(shè)計(jì)任務(wù)（2）對 CA6140 臥式車床進(jìn)行了總體方案的確定（3）對橫向進(jìn)給系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)的改造設(shè)計(jì)（4）微機(jī)部分的改造設(shè)計(jì)通過以上設(shè)計(jì)了解掌握了一種系統(tǒng)設(shè)計(jì)的思維方法。不僅提高收集、閱讀、分析和運(yùn)用資料的能力，獨(dú)立工作的能力，理論聯(lián)系實(shí)際的設(shè)計(jì)和計(jì)算能力，和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與編制技術(shù)文件的能力，而且使我的專業(yè)知識得到了進(jìn)一步的鞏固。在此之中遇到了一些問題，在老師和同學(xué)的幫助下得到了解決。由于自身的經(jīng)驗(yàn)有限，面對這些關(guān)鍵性問題只能從理論上去尋求解決的方法。因此，自己所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)和運(yùn)用到生產(chǎn)實(shí)踐中仍相距甚遠(yuǎn)?？偠灾?，這次畢業(yè)設(shè)計(jì)使我收益非淺，為我今后的工作打下了良好的基礎(chǔ)。 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說 明 書 （ 論 文 ） 第 31 頁 共 31 頁致 謝本論文由張少文指導(dǎo)老師審閱全搞。從課題的選擇、方案制定、工作實(shí)施到論文的撰寫、修改無不滲透著老師的心血。張老師以他嚴(yán)肅的科學(xué)態(tài)度，嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)精神，精益求精的工作作風(fēng)，深深地感染和激勵著我。在學(xué)習(xí)和畢業(yè)設(shè)計(jì)過程中給予我很大的啟迪與幫助，給我留下了極為深刻的印象，使我對以后的工作充滿信心。同時(shí)還在思想、生活上給我以無微不至的關(guān)懷。許多同組設(shè)計(jì)人員和其他同學(xué)都提出了熱情而中肯的建議，都對提高本論文質(zhì)量給予了很大的幫助，我在此致以衷心的感謝。最后，由于我的水平和時(shí)間所限，誤漏之處恐屬難免，殷切期望廣大老師和專家隨時(shí)予以批評指正。 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說 明 書 （ 論 文 ） 第 32 頁 共 31 頁參 考 文 獻(xiàn)[1] 張新義.經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1994.[2] 《機(jī)床設(shè)計(jì)手冊》編寫組編.機(jī)床設(shè)計(jì)手冊 2 零件設(shè)計(jì)（上冊）[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1980.[3] 成大先．機(jī)械設(shè)計(jì)手冊單行本聯(lián)接與緊固［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004.[4] 徐灝.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊[M]. 第二版,北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2000.[5] 趙松年、戴志義.機(jī)電一體化數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1994.[6] 趙松年、張奇鵬.機(jī)電一體化機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M].上海：同濟(jì)大學(xué)出版社，1990.[7] 黃家善.計(jì)算機(jī)數(shù)控技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004.[8] 李善術(shù).數(shù)控機(jī)床及其應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2001.[9] 國家教委高等教育司、北京市教育委員會編.高等學(xué)校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）指導(dǎo)手冊[M].北京：高等教育出版社，1998.[10] 尹志強(qiáng).機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2007.[11] 陳秀寧、施高義.機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)[M].浙江：浙江大學(xué)出版社出版，1995.[12] 李國農(nóng)．普通車床的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控改造實(shí)例[J]．水利電力機(jī)械，2001.[13] 龍世杰.CA6140 車床的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控改造[J].機(jī)電一體化，1998.[14] 王宗榮、左曉名、魯屏宇.工程圖學(xué)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2001.[15] 成大先．機(jī)械設(shè)計(jì)手冊單行本機(jī)械傳動[M]．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004.[16] 胡光耀.普通臥式車床的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控改造[J].貴州農(nóng)機(jī)化，2001.[17] 甘永立．幾何量公差與檢測 [M]．第五版,上海：上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，2001.